KR20130078291A

KR20130078291A - 바나듐계 산화아연 바리스터 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20130078291A
Application number: KR1020110147151A
Authority: KR
Inventors: 남춘우
Original assignee: 동의대학교 산학협력단
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2013-07-10
Also published as: KR101337018B1

Abstract

본 발명은 산화아연 바리스터, 특히 바나듐계 산화아연 칩 바리스터 조성물에 관한 것으로서, 은(Ag) 내부전극과 동시소성이 가능한 바나듐계 산화아연 바리스터의 소결온도 조건을 제어함으로써, 우수한 비선형성을 확보하고 장시간 사용시에도 바리스터의 비선형성의 안정성을 확보할 수 있는 바나듐계 산화아연 바리스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

바나듐계 산화아연 바리스터 및 그 제조방법{Vanadium-based zinc oxide varistor and manufacturing method for the same}

본 발명은 산화아연 바리스터, 특히 바나듐계 산화아연(ZnO-V₂O₅-) 칩 바리스터 조성물에 관한 것으로서, 은(Ag) 내부전극과 동시소성이 가능한 바나듐계 산화아연 바리스터의 소결온도 조건을 제어함으로써 우수한 비선형성을 확보하고, 장시간 사용시에도 바리스터의 비선형성의 안정성을 확보할 수 있는 바나듐계 산화아연 바리스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

현대 사회의 급속한 기술발달과 더불어 점차 현대인의 생활은 전기·전자·정보통신 제품과 장치에 대한 의존도가 높아지고 있으며, 이러한 제품과 장치를 사용하지 않고 하루라도 지내는 일은 상상하기 어려울 정도가 되었다.

전기·전자·정보통신 장치는 더 빠르게, 더 많이, 더 편리하게 정보를 보내기 위해 외형적으로는 경박단소화되고, 기능적으로는 복합화, 다기능성, 고집적화되는 전자정보통신소자의 발달에 힘입어 나날이 첨단화되어가고 있다.

그렇지만 첨단화 못지 않게 중요한 것은 시스템 전체의 신뢰성 확보라 할 수 있는데, 그렇지 못할 경우에는 심각한 장애를 동반할 수밖에 없다. 특히 자동차, 선박, 항공기 등과 같이 인명과 직결되는 운송용 전자장치나 개인, 기업, 정부의 핵심정보가 포함된 대량의 데이터를 취급하는 정보처리 장치의 신뢰성 향상은 최근 들어 상당히 중요하게 부각되고 있다.

이와 같은 전자장치의 신뢰성 확보를 위해 다양한 방법들이 강구되어 왔으나, 성능 및 경제성 측면에서 최적의 방법은 써지(surge) 보호소자의 사용이라 할 수 있다. 산화아연 바리스터(ZnO Varistor)는 전자장치를 포함한 모든 피보호기의 전단에서 인입된 이상 전압, 전류 및 에너지, 즉 써지를 접지로 방출시켜 피보호기를 보호하는 써지 보호소자로서, 써지업소버 또는 써지어레스터로 소자 단독으로 사용되거나 또는 모듈화되어 산업 전반에 광범위하게 사용되고 있다.

다결정성 세라믹스인 산화아연 바리스터는 열적, 전기적으로 불안정한 입계를 중심으로 산화아연 결정립쌍이 소자의 체적만큼 제한된 범위 내에 3차원적으로 배열되어 있는 구조로 되어있는데, 입계가 인가전압에 따라 선택적으로 절연성 또는 도전성으로 변환됨으로써 비직선적인 전압-전류 특성을 나타내어 써지 흡수 능력이 발생된다.

즉, 산화아연 바리스터는 전압에 따라 저항이 변화하는 비직선 저항체로서 피보호기에 병렬로 결선되어 평상시에는 고임피던스를 나타내는 절연체로 동작하다가 써지 침입시에는 저항이 급격히 감소함에 따라 마치 단락된 것과 같이 동작하여 써지를 방전시킴으로써 피보호기를 써지로부터 보호하게 된다.

세라믹스의 대부분을 차지하는 산화아연에 비선형성 유발산화물과 특성 개선용 산화물을 미량 첨가하여 제조된 산화아연 바리스터는 비선형성 유발산화물의 종류에 따라 여러 가지로 분류되며, 대표적인 것으로 비스무스(Bi)계와 프라세오디뮴(Pr)계가 있다.

그런데, 비스무스계 및 프라세오디뮴계 산화아연 바리스터는 다층 칩 소자로 구성할 때 은(Ag) 내부전극과 동시소성이 불가능하다는 단점이 있는데, 이는 은(Ag)의 용융점인 961℃를 초과하는 1000℃ 이상의 온도에서 소결되어야 한다는 공정상의 한계 때문이다.

이에 비해 ZnO-V₂O₅계(바나듐계) 바리스터는 900℃ 근방의 상대적으로 낮은 온도에서 소결이 가능하기 때문에 다층 칩 소자의 내부전극으로 팔라듐(Pd)이나 백금(Pt) 등의 고가의 금속을 사용하는 대신 보다 저렴한 은(Ag)을 사용하여 동시소성을 할 수 있다는 점이 장점으로 꼽힌다.

다만 현재까지는 바나듐계 바리스터에 대한 연구는 초기 단계에 머물러 있고, 보고된 바에 의하면 높은 비선형성을 얻기 위해서는 적절한 첨가제가 요구된다고 알려져 있고 그 첨가제로서 MnO₂ 및 Nb₂O₅ 정도가 소개되어 있을 뿐이며, 바나듐계 바리스터가 가진 은(Ag) 내부전극과의 동시소성이 가능하다는 강점을 살리기 위한 소결온도에 대한 연구는 아직 미흡한 수준이다.

본 발명의 목적은 바나듐계 산화아연 바리스터의 소결온도를 제어함으로써 비선형 저항소자인 바리스터에 필수적으로 요구되는 높은 비선형성이 구현되도록 하는 것을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 바나듐계 산화아연 바리스터가 장시간 사용되어도 비선형성의 안정성을 확보할 수 있는 바나듐계 산화아연 바리스터 및 그 제조방법을 제공하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

본 발명은 산화아연(ZnO)을 주성분으로 하고, 여기에 바나듐 산화물(V₂O₅), 망간 산화물(MnO₂) 및 니오븀 산화물(Nb₂O₅)을 첨가제로 포함하는 바나듐계 산화아연 바리스터에 관한 것으로서, 상기 바나듐계 산화아연 바리스터의 소결온도는 900∼925℃이고, 비선형 계수가 38 이상인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 바나듐계 산화아연 바리스터의 소결온도는 900℃이고, 비선형 계수는 50인 것이 바람직할 수 있다.

또는, 상기 바나듐계 산화아연 바리스터는 0.85E_1mA/85℃/24h 조건의 DC 가속노화 스트레스 후에 항복전계 및 비선형 계수가 증가하는 것을 특징으로 하며, 이때 상기 바나듐계 산화아연 바리스터의 소결온도는 925℃일 수 있다.

한편 본 발명에 따른 바나듐계 산화아연 바리스터의 제조방법은, 산화아연(ZnO), 바나듐 산화물(V₂O₅), 망간 산화물(MnO₂) 및 니오븀 산화물(Nb₂O₅)을 칭량하는 제1 단계;와, 상기 칭량된 조성물에 아세톤을 첨가하여 볼밀링으로 혼합하는 제2 단계;와, 상기 제2 단계를 거친 혼합물을 건조한 후 폴리비닐 부틸알(PVB) 바인더와 아세톤이 담긴 용기 안에 넣어 다시 혼합하고 이를 재건조하는 제3 단계;와, 상기 혼합된 조성물을 원하는 모양의 성형체로 만들고 소결한 뒤, 상기의 소결체의 양면을 연마하는 제4 단계; 및 상기 연마된 소결체에 은전극을 도포하고, 패키지 처리를 하는 제5 단계;를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제4 단계의 소결온도는 900∼925℃인 것이 바람직하다.

특히, 상기 소결온도는 900℃이고, 상기 바나듐계 산화아연 바리스터의 비선형 계수는 50인 것일 수 있다.

또는, 상기 소결온도는 925℃이고, 상기 바나듐계 산화아연 바리스터를 0.85E_1mA/85℃/24h 조건의 DC 가속노화 스트레스 시험을 거쳤을 때 항복전계 및 비선형 계수가 증가하는 것일 수 있다.

아울러 본 발명은 상기의 바나듐계 산화아연 바리스터를 다수 개 적층하여 모듈화하고 그 내부에 은(Ag) 내부전극이 동시소성으로 형성된 칩 바리스터를 제공한다.

본 발명은 바나듐계 산화아연 바리스터의 소결온도를 제어함으로써 종래의 산화아연 바리스터에서는 구현하기 힘들었던 매우 높은 수준의 비선형성을 확보할 수 있다는 우수한 효과를 가진다.

또한 본 발명의 바나듐계 산화아연 바리스터는 소결온도를 최적으로 제어함으로써 장시간 사용 후에도 초기상태 이상의 우수한 비선형성을 확보할 수 있어 그 안정성 역시 우수하다는 장점을 가진다.

그리고 본 발명의 바나듐계 산화아연 바리스터가 비선형 계수와 DC 가속노화 스트레스 후의 안정성의 측면에서 각각 바람직한 소결온도로 나타난 900℃ 내지 925℃의 온도범위는 은(Ag)의 용융점인 961℃에 대해 상당한 마진을 가진 온도이기 때문에, 칩 바리스터의 내부전극으로 고가의 팔라듐(Pd)이나 백금(Pt) 대신 상대적으로 저렴한 은(Ag)을 사용하여도 동시소성이 가능해진다는 이점을 가진다.

도 1은 소결온도를 달리하는 바나듐계 산화아연 바리스터의 4가지 시편에 대한 전사주사현미경 사진.
도 2는 도 1에 도시된 각 시편의 XRD 패턴을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 바나듐계 산화아연 바리스터 시편의 소결온도에 따른 전압-전류 특성을 도시한 도면.
도 4는 도 3의 바나듐계 산화아연 바리스터 시편의 DC 가속노화 스트레스 시험의 시간 경과에 따른 누설전류의 변화를 도시한 도면.
도 5는 도 4의 바나듐계 산화아연 바리스터 시편의 DC 가속노화 스트레스 시험 전후의 전압-전류 특성을 비교하여 도시한 도면.

이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 바나듐계 산화아연 바리스터를 준비하는 단계 및 제조된 바나듐계 산화아연 바리스터의 전기적, 구조적 특성을 평가하는 과정을 상세히 설명한다.

시편의 제작

본 발명에 따른 바나듐계 산화아연 바리스터를 제조하기 위해 원재료인 ZnO 97.4 mol%, V₂O₅ 0.5 mol%, MnO₂ 2.0 mol%, Nb₂O₅ 0.1 mol%를 전자저울로 10㎍의 오차범위까지 칭량하였다.

그리고, 폴리프로필렌 용기 안에 지르코니아 볼, 아세톤 및 칭량된 시료를 넣고, 24시간 동안 볼밀링으로 혼합하였다.

혼합물은 120℃에서 12시간 동안 건조되었으며, 건조 후 혼합물의 0.8 중량%의 폴리비닐 부틸알(PVB) 바인더와 아세톤이 담긴 용기 안에 넣어 다시 혼합하였으며, 이를 재건조한 후 100 mesh체로 조립하였다.

위의 과정으로 준비된 파우더는 100MPa 단축(uniaxial) 압력에서 직경이 10mm, 두께가 1.5mm가 되도록 성형한 후, 공기 중에서 875, 900, 925, 950℃의 4가지 소결온도에서 각각 3시간 동안 소결하였다.

소결이 완료되면 실온까지 노냉하였으며, 최종적인 시편은 직경은 8mm, 두께는 1.0mm가 되도록 랩핑/폴리싱 장비(GLP Korea, Korea)로 가공하였다.

그리고, 가공된 각 시편의 양면에 직경 5mm의 은전극을 550℃에서 10분간 열처리하여 완성하였다.

미세구조 특성

위의 과정으로 준비된 시편의 일면을 SiC 연마지로 래핑하고 0.3㎛ Al₂O₃ 분말로 경면가공한 후, 25℃에서 25초간 1HClO₄:1000H₂O 용액에서 화학적 에칭을 하였으며, 시편 표면의 미세구조 특성은 주사전자현미경(FESEM, Quanta 200, Czech)으로 관찰하였다.

평균 결정립 크기(d)는 선형교차기법에 의한 식인 d=1.56L/MN(여기서, L은 현미경 사진상의 임의의 테스트 라인, M은 현미경 사진의 배율, N은 테스트 라인과의 유효교차수)로부터 구하였다.

그리고 결정질상은 CuKα 방사선을 이용하는 XRD(X-ray Diffractometer, X'pert-Pro MPD, Netherland)로 확인하였다.

소결밀도(ρ)는 전자저울(AG 245, Mettler Toledo International Inc., Greifensee, Switzerland)에 부착된 밀도측정용 키트(238490)를 이용해 측정하였다.

도 1은 소결온도를 달리하는 바나듐계 산화아연 바리스터의 4가지 시편에 대한 전사주사현미경 사진인데, 전체 세리믹스에 걸쳐 입자가 매우 균일하게 분포해 있고 입계가 뚜렷하다는 것을 쉽게 확인할 수 있다.

평균 결정립 크기(d)는 소결온도가 상승함에 따라 4.4㎛에서 9.6㎛로 증가하였는데, 이는 녹는점이 690℃인 V₂O₅와 관련된 풍부한 액상의 존재가 산화아연 입자의 급격한 성장에 영향을 준 것이라 판단된다.

소결밀도(ρ)는 소결온도의 상승에 따라 5.52g/cm³에서 5.44g/cm³로 미소 감소하였는데 이는 산화아연의 이론적 밀도(5.78g/cm³)의 95.5%∼94.1%에 해당하는 것이다. 따라서 875∼950℃ 범위의 소결온도는 바나듐계 산화아연 바리스터의 고밀화(densification) 공정에 별다른 영향을 미치지 않는다고 할 수 있으며, 소결온도의 상승에 따른 소결밀도의 감소는 녹는점이 낮은 V₂O₅에 포함된 바나듐의 휘발성에 기인하는 것으로 추정된다.

소결온도를 달리하는 4가지 시편에 대한 XRD 패턴은 도 2에 도시되어 있는데, 이 패턴은 육방정계 산화아연의 주 결정상에 더하여 액상의 소결 보조제로 작용하는 Zn₃(VO₄)₂와 ZnV₂O₄가 부 결정상으로 존재한다는 것을 보여주고 있다.

전기적 특성 측정

시편의 전기적 특성은 전압-전류(E-J) 특성을 통해 평가되는데, 고전압 소스측정 유니트(High Voltage Source-Measure Unit: Keithley 237, Keithley Instruments Inc., Cleveland, OH, USA)를 사용하여 측정하였다.

여기서, 항복전계(E_1mA)는 전류밀도가 1.0 mA/cm²일 때의 전압으로, 누설전류밀도(J_L)는 0.80 E_1mA에서의 전류로 정의되었으며, 비선형 계수(α)는 하기의 식(1)로 계산하였다.

α= (logJ₂-logJ₁)/(logE₂-logE₁) ....................... 식(1)

(여기서, J₁=1.0 mA/cm², J₂=10 mA/cm², E₁ 및 E₂는 각각 J₁과 J₂에 대응하는 전압)

도 3은 소결온도를 변화시킨 4개 시편에 대한 전압-전류(E-J) 특성을 도시한 것이며, 바리스터의 물성은 비옴 전도(non-ohmic conduction)로 특징지어진다.

전압-전류(E-J) 특성 곡선은 2개의 명확히 구별되는 영역으로 나뉜다. 하나는 항복전계 이전의 극히 높은 임피던스의 옴(ohmic) 영역이고, 다른 하나는 항복전계 이후의 극히 낮은 임피던스의 비옴(non-ohmic) 영역인데, 두 영역 사이의 기울기의 변화(knee)가 가파를수록 바리스터의 특성이 더욱 우수한 것임을 나타낸다.

도 3을 보면, 소결온도가 바나듐계 산화아연 바리스터의 전기적 특성에 지대한 영향을 미친다는 것을 알 수 있는데, 각 시편에 대한 상세한 전압-전류(E-J) 특성은 아래의 표 1에 정리되어 있다.

본 발명의 4개 시편에 대한 미세구조 및 전압-전류(E-J) 특성 파라미터

소결온도 (℃)	d (mm)	ρ (g/cm³)	E_1mA (V/cm)	v_gb (V/gb)	α	J_L (㎂/cm²)
875	4.4	5.52	6991	3.1	44	201.3
900	5.5	5.51	4800	2.6	50	94.9
925	7.2	5.46	2241	1.6	38	25.8
950	9.6	5.44	943	0.9	25	173.7

소결온도가 상승함에 따라 항복전계(E_1mA)는 6991 V/cm에서 943 V/cm까지 선형적으로 감소하였다.

소결온도의 증가에 따라 항복전계(E_1mA)가 떨어지는 바나듐계 산화아연 바리스터의 거동은 E_1mA=v_gb/d(여기서, d는 결정립의 크기, v_gb는 입계당 항복전압)의 수식으로부터 설명될 수 있다. 위의 식(E_1mA=v_gb/d)에서 알 수 있듯이, 항복전계(E_1mA)는 결정립의 크기(d)와 입계당 항복전압(v_gb)에 의해 직접적으로 결정되는데, 표 1에 나타난 항복전계(E_1mA)의 감소는 소결온도의 상승에 따른 산화아연 결정립의 크기(d)의 증가와 입계당 항복전압(v_gb)의 감소에 기인한다.

그리고, 소결온도와 비선형 계수(α)의 관계를 살펴보면, 비선형 계수(α)는 소결온도가 900℃에 이르기까지는 44에서 50까지 선형적으로 증가하는데, 50의 비선형 계수(α)는 이제까지 산화아연계 바리스터에서 보고된 가장 높은 비선형 계수에 상당하는 매우 높은 값이다.

다만 900℃를 넘어 950℃까지 소결온도가 상승하게 되면 비선형 계수(α)는 점차 감소하여 950℃에서는 25에 머무르게 되는데, 비선형 계수(α)의 관점에서만 본다면 소결온도 900℃가 바나듐계 산화아연 바리스터 성능의 전환점이라 할 수 있을 것이다.

0.80 E_1mA에서의 누설전류(J_L)에 대한 표 1의 값을 보면, 일반적인 바리스터 세라믹스의 통상적인 수준보다 높게 나타나 있어 향후 이에 대한 보안이 필요하다 할 수 있다. 다만 주목할 점은, 925℃의 소결온도에서 가장 낮은 25.8 ㎂/cm²의 누설전류 값을 나타냈다는 것인데, 이는 후술할 DC 가속노화 스트레스 시험 결과를 함께 고려할 경우 925℃의 소결온도는 900℃의 소결온도와 함께 본 발명에서 상당히 중요한 의미를 가지는 것이다.

DC 가속노화 스트레스 측정

바리스터 세라믹스의 비선형성 및 전기적 특성의 안정성을 평가하기 위해 스트레스 인가전 전압-전류(E-J) 특성을 각 시편에 대해 측정한 후 0.85E_1mA/85℃/24h 조건에서 DC 가속노화 스트레스 시험을 수행하였다.

누설전류(J_L)는 고전압 소스측정 유니트(High Voltage Source-Measure Unit: Keithley 237, Keithley Instruments Inc., Cleveland, OH, USA)를 이용하여 스트레스를 부여하는 동안 1분 간격으로 측정되었다.

스트레스를 인가하는 동안 스트레스 시간에 따른 누설전류(J_L)의 변화인 열화율 계수(degradation rate coefficient)(K_T)는 I_L = I_L0 + K_T·t¹ ^/2(여기서, I_L은 시간 t에서의 누설전류, I_L0는 t=0에서의 누설전류)로 정의되는 식을 이용하여 계산하였다.

도 4는 DC 가속노화 스트레스의 진행에 따른 4개 시편의 누설전류(J_L)의 거동을 보여주는 도면인데, 각 시편이 스트레스 인가 시간의 경과에 따라 확연히 구별되는 거동을 보여주는 것을 확인할 수 있다.

875℃에서 소결된 시편 (a)는 스트레스 인가 후 얼마 지나지 않아 열폭주(thermal run-away) 현상을 나타냈고, 따라서 시편 (a)는 DC 가속노화 스트레스에 상당히 약한 특성을 가지는 것으로 평가된다.

일반적으로 낮은 소결밀도와 높은 누설전류는 바리스터의 안정성을 크게 저하시키는 요소로 작용하는데, 전자는 전도경로(conduction path)의 개수를 줄여 종국에는 전류의 집중을 야기하게 만들고, 후자는 주울(Joule) 발열과 누설전류 사이의 반복 사이클을 가져옴으로써 안정성을 떨어뜨리게 된다. 이러한 관점에서 볼 때, 시편 (a)의 소결밀도는 다른 시편에 비해 상대적으로 높지만 누설전류가 너무 높기 때문에 전체적인 결과에서는 안정성이 취약해진 것이라 할 수 있다.

소결온도가 900℃인 시편 (b)는 열폭주 현상이 없는 한층 안정적인 특성을 보여준다. 그렇지만 도 4를 보면, 시편 (b)는 전체적으로 누설전류의 절대적 수치가 높은 편이며, DC 가속노화 스트레스의 시간 경과에 따라 점진적으로 누설전류가 상승하는 추세를 보이기 때문에 종국에는 열폭주 현상이 발생할 가능성이 있다.

이에 비해 각각 925℃와 950℃에서 소결된 시편 (c) 및 (d)는 DC 가속노화 스트레스 중 열폭주 현상이 없는 한층 향상된 안정성을 나타내었다. 바리스터의 안정성은 스트레스 시간에 따른 누설전류 변화의 기울기인 열화율 계수(K_T)가 낮을수록 우수한 것으로 평가되는데, 900℃, 925℃ 및 950℃에서 각각 소결된 시편 (b)∼(d)의 열화율 계수(K_T)는 각각 27.6 ㎂.h^-1/2, 0.38 ㎂.h^-1/2, 20.8 ㎂.h^-1/2을 나타냈으며(아래의 표 2 참조), 따라서 925℃에서 소결된 시편 (c)가 열화에 가장 강한 저항성을 가진다고 평가될 수 있다.

도 5는 소결온도를 달리하는 시편 (a)∼(d)에 대한 DC 가속노화 스트레스 전후의 전압-전류(E-J) 특성을 도시한 것인데, 소결온도가 스트레스 인가 후의 전압-전류(E-J) 특성 변화에 매우 큰 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있다.

875℃에서 소결된 시편 (a)와 950℃에서 소결된 시편 (d)는 스트레스 인가 후에 전압-전류(E-J) 특성의 전체 영역에 걸쳐 매우 큰 변화를 보였다. 시편 (d)는 누설전류의 경우와는 다르게 가장 큰 전압-전류(E-J) 특성 변화를 보였다.

소결온도가 900℃인 시편 (b)는 상대적으로 변화의 폭은 작았으나, 비선형성을 보여주는 옴(ohmic) 영역과 비옴(non-ohmic) 영역 사이의 기울기의 변화(knee)에서는 스트레스 인가 전후에 큰 변화가 생겼다.

이에 비해 소결온도 925℃의 시편 (c)는 다른 모든 시편의 경우와 비교할 때 가장 작은 변화 양상을 보여주었다.

아래의 표 2는 DC 가속노화 스트레스 인가 전후의 항복전계(E_1mA), 비선형 계수(α) 및 누설전류(J_L)의 값과 각각의 변화율(%ΔE_1mA, %Δα, %ΔJ_L)을 정리한 것이다.

본 발명의 4개 시편에 대한 DC 가속노화 스트레스 전후의 전압-전류(E-J) 특성

소결온도 (℃)	스트레스 조건	K_T (㎂.h^-1/2)	E_1mA (V/cm)	%△E_1mA	α	%△α	J_L (㎂/cm²)	%△J_L
875	초기	-	6991	-	44	-	201.3	-
875	0.85E_1mA/85℃/24h	열폭주	4305	-38.4	4	-89.7	720.8	258.1
900	초기	-	4800	-	50	-	94.9	-
900	0.85E_1mA/85℃/24h	27.6	4389	-8.6	20	-60.5	282.4	197.6
925	초기	-	2241	-	38	-	25.8	-
925	0.85E_1mA/85℃/24h	0.38	2274	1.5	43	13.3	54.8	112.4
950	초기	-	943	-	25	-	173.7	-
950	0.85E_1mA/85℃/24h	20.8	603	-36.0	5	-81.4	509.5	193.3

위 표에서 알 수 있듯이, 항복전계(E_1mA)의 변화율(%ΔE_1mA)은 스트레스 인가 후에 소결온도 875℃, 950℃, 900℃, 925℃의 시편 순서로 작아지는 경향을 보인다.

특히, 소결온도 875℃ 및 950℃의 시편은 30% 이상의 감소율을 보이는 반면 925℃의 시편 (c)는 오히려 미소하게나마 항복전계(E_1mA)가 증가하는 우수한 특성을 보여주고 있다.

비선형 계수(α)의 경우에는, 소결온도 925℃의 시편 (c)를 제외하고는 모든 시편에서 비선형 계수(α)가 감소하여 항복전계(E_1mA)의 경우와 유사한 양상을 보인다.

875℃ 및 950℃의 시편은 스트레스 인가 후 비선형 계수(α)가 5 이하로 떨어져 매우 나쁜 비선형성을 보였으며, 스트레스 인가 전에는 50에 달하는 매우 우수한 비선형 계수(α)를 보여주었던 900℃의 시편 (a)도 -60.5%가 감소하여 비선형 계수가 20 정도에 불과하였다. 그러나 소결온도 925℃의 시편 (c)는 13.3%가 증가하여 비선형 계수가 43에 달하는 주목할만한 결과를 보여주었다.

누설전류(J_L)는 모든 시편에서 스트레스시험 후 증가하는 양상을 보였으며, 그 변화율도 항복전계(E_1mA)와 비선형 계수(α)의 경우보다 전제적으로 높았다. 그러나 이 경우에도 소결온도 925℃의 시편 (c)는 가장 작은 증가율을 보임으로써, 결과적으로 시편 (c)는 안정성에 관한 모든 평가항목에서 가장 우수한 결과를 보여주었다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바나듐계 산화아연 바리스터는 소결온도를 제어함으로써 우수한 전압-전류(E-J) 특성을 얻었으며, 특히 소결온도 900℃에서는 비선형 계수가 50에 달하는 매우 높은 수준을 달성할 수 있음을 확인할 수 있다.

또한 본 발명의 바나듐계 산화아연 바리스터는 소결온도를 925℃로 제어할 경우에는 DC 가속노화 스트레스를 거친 후에도 항복전계와 비선형 계수가 모두 상승하는 바람직한 결과를 얻을 수 있다.

따라서 본 발명의 바나듐계 산화아연 바리스터는 소결온도를 제어함으로써 바리스터가 적용되는 사용환경에 따라 가장 적절한 특성을 가지도록 할 수 있기 때문에 다양한 분야에 폭넓게 적용되는 것이 가능하다.

이상 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims

산화아연(ZnO)을 주성분으로 하고, 여기에 바나듐 산화물(V₂O₅), 망간 산화물(MnO₂) 및 니오븀 산화물(Nb₂O₅)을 첨가제로 포함하는 바나듐계 산화아연 바리스터에 있어서,
상기 바나듐계 산화아연 바리스터의 소결온도는 900∼925℃이고, 비선형 계수가 38 이상인 것을 특징으로 하는 바나듐계 산화아연 바리스터.
제1항에 있어서,
상기 소결온도는 900℃이고, 상기 비선형 계수는 50인 것을 특징으로 하는 바나듐계 산화아연 바리스터.
제1항에 있어서,
상기 바나듐계 산화아연 바리스터는 0.85E_1mA/85℃/24h 조건의 DC 가속노화 스트레스 후에 항복전계 및 비선형 계수가 증가하는 것을 특징으로 하는 바나듐계 산화아연 바리스터.
제3항에 있어서,
상기 바나듐계 산화아연 바리스터의 소결온도는 925℃인 것을 특징으로 하는 바나듐계 산화아연 바리스터.
산화아연(ZnO), 바나듐 산화물(V₂O₅), 망간 산화물(MnO₂) 및 니오븀 산화물(Nb₂O₅)을 칭량하는 제1 단계;
상기 칭량된 조성물에 아세톤을 첨가하여 볼밀링으로 혼합하는 제2 단계;
상기 제2 단계를 거친 혼합물을 건조한 후 폴리비닐 부틸알(PVB) 바인더와 아세톤이 담긴 용기 안에 넣어 다시 혼합하고 이를 재건조하는 제3 단계;
상기 혼합된 조성물을 원하는 모양의 성형체로 만들고 소결한 뒤, 상기의 소결체의 양면을 연마하는 제4 단계; 및
상기 연마된 소결체에 은전극을 도포하고, 패키지 처리를 하는 제5 단계;
를 포함하는 바나듐계 산화아연 바리스터의 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 제4 단계의 소결온도는 900∼925℃인 것을 특징으로 하는 바나듐계 산화아연 바리스터의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 소결온도는 900℃이고, 상기 바나듐계 산화아연 바리스터의 비선형 계수는 50인 것을 특징으로 하는 바나듐계 산화아연 바리스터의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 소결온도는 925℃이고, 상기 바나듐계 산화아연 바리스터를 0.85E_1mA/85℃/24h 조건의 DC 가속노화 스트레스 시험을 거쳤을 때 항복전계 및 비선형 계수가 증가하는 것을 특징으로 하는 바나듐계 산화아연 바리스터의 제조 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 바나듐계 산화아연 바리스터를 다수 개 적층하여 모듈화하고 그 내부에 은(Ag) 내부전극이 동시소성으로 형성된 칩 바리스터.